Analyse numérique de l'interaction entre une chambre de combustion rotative à détonation et une turbine axiale

Numerical Investigation of the Interaction between a Rotating Detonation Combustor and an Axial Turbine

• Auteur / Autrice : Gregory Uhl
• Direction : Marc Bellenoue, Thierry Poinsot, Saïd Taileb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 11/03/2025
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Safran Aircraft Engines
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Gaillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdellah Hadjadj, Simone Salvadori
• DOI : 10.70675/4135305dzcf05z4f15z955azac0355347678

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carburants -- Consommation

Chambres de combustion

Compressibilité

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Simulation des grandes échelles

Turbines à gaz

Mots clés libres

Combustion à gain de pression

Moteurs à détonation rotative

Pressure gain combustion

Rotating detonation engines

Résumé

Une chambre de combustion à détonation rotative (RDC), dans laquelle une ou plusieurs ondes de détonation tournent autour d’une chambre de combustion annulaire, peut constituer une technologie de combustion alternative pour les turbines à gaz, avec des perspectives de réduction de la consommation de carburant et de réduction des émissions. Parmi de nombreux défis, l’interaction potentiellement négative des gaz d’échappement instationnaires et à haute enthalpie de la chambre de combustion avec la turbine axiale située en aval est un problème en grande partie non résolu. Pour faciliter ce couplage, l’installation d’un éjecteur entre le RDC et la turbine axiale est une option. Dans le travail actuel, trois configurations d’éjecteurs sont étudiées à l’aide d’une simulation aux grandes échelles (LES), de simulations Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) et d’une modélisation 1D, et le potentiel d’intégration avec un RDC est évalué. L’analyse a révélé que la physique interne et les exigences de conception sont considérablement différents entre un éjecteur conventionnel et un éjecteur intégré avec un RDC. L’étude a montré que l’intégration d’un éjecteur avec un RDC rend les gaz d’échappement plus admissibles à l’entrée de la turbine en réduisant les fluctuations, la vitesse moyenne et la température moyenne. Néanmoins, la présence de l’éjecteur dans le cycle thermodynamique entraîne des pénalités de performances, par rapport à un cycle de référence sans présence d’éjecteur. Le rapport d’entraînement a été déterminé comme un paramètre contrôlant à la fois les caractéristiques d’amortissement et les performances globales du cycle : de petites valeurs permettent une efficacité de cycle élevée mais un faible amortissement (et vice versa). Une analyse détaillée de la génération d’entropie locale dans l’éjecteur a montré que dans des conditions représentatives du RDC, les pertes thermiques présentent la contribution la plus élevée, suivies par les pertes par dissipation visqueuse. La majorité des pertes se sont concentrées dans la couche de cisaillement entre les gaz d’échappement RDC et le flux secondaire entraîné. Sur la base d’une étude de conception utilisant RANS, certaines lignes directrices de conception pourraient être établis pour un éjecteur annulaire couplé à un RDC. Les travaux ont montré qu’un passage d’écoulement secondaire minimal et une chambre de mélange à section constante relativement longue sont bénéfiques. En outre, il a été affirmé que les modélisations 1D et RANS sont utiles dans la conception préliminaire, mais qu’une approche instationnaire telle que LES est nécessaire par la suite pour capturer la physique essentielle de l’écoulement.

A Rotating Detonation Combustor (RDC), where one or several detonation waves are rotating around a typically annular combustion chamber, may be an alternative combustion technology for gas turbines, with perspectives of reducing fuel consumption, increasing thermal efficiency and reducing emissions. Among numerous additional challenges, thepossibly detrimental interaction of the unsteady, high-enthalpy combustor exhaust gas with the downstream located axial turbine is a largely unresolved issue. To facilitate this coupling, installing an ejector between RDC and turbine is a viable option. In the current work, three separate ejector configurations are investigated using a Large-Eddy Simulation(LES), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and 1D modeling, and the potential for integration with an RDC is evaluated. The analysis revealed that both the internal flow field and the design requirements are considerably different between a conventional ejector and an ejector coupled to an RDC. The study showed that integrating an ejector with an RDC renders the exhaust gas much more admissible for turbine entry by reducing fluctuations, mean velocity and mean temperature. Nevertheless, the presence of the ejector in the thermodynamic cycle led to performance penalties, compared to a reference cycle without an ejector present. The ejector entrainment ratio was determined as a crucial parameter controlling both dampening characteristics and global cycle performance: Small values provided for high cycle efficiency but low dampening (and vice versa). A detailed analysis of local entropy generation in the ejector showed that under RDC-representative conditions, thermal losses show the highest contribution, followed by viscous dissipation losses. The majority of losses concentrated in the shear layer between the RDC exhaust gas and the entrained secondary flow. Based on a design study using steady RANS, a preliminary set of design guidelines could be established for an annular ejector coupled to an RDC. The work showed that a minimal secondary flow passage, and a relatively long constant-area mixing chamber are beneficial. In addition, it was asserted that 1D and RANS modeling are useful in preliminary design, but that an unsteady approach such as LES is necessary afterwards to capture the essential flow physics. The presented work showed both a methodology to evaluate integrated ejector performance, and a possible final annular ejector that can be readily coupled to an RDC.